PLC在凈環水處理自動控制系統中的研究與應用

凈環水處理自動化控制系統是連續熱鍍鋅及彩涂工程的供水系統。對水處理進行自動化監測和實時控制，是提高水處理效率、降低能耗的關鍵。采用以PLC為核心的工藝過程自動監控系統，對所有泵、閥實現自動監控，對曝氣設備、排水設備的運行進行編程控制。根據工藝可以實時控制冷卻塔風機、水泵、電動閥等設備。使水的流量、溫度滿足工業用水要求，以達到自動控制水處理過程的目的。

2 系統描述

本系統有4個控制站：凈環泵站、鍍鋅爐子冷卻回水提升泵站、彩板冷卻回水提升泵站和雨污水泵站。其中凈環泵站是2#站，鍍鋅爐子冷卻回水提升泵站是3#站，彩板冷卻回水提升泵站是4#站，雨污水泵站是5#站。其系統工藝流程圖如圖1所示。

圖1 系統工藝流程圖

3控制系統硬件組成

系統總體結構如圖2所示，主要部分及其功能分述如下。

圖2 系統總體結構

(1)PLC控制系統

根據裝置工作需要，選用性價比較高的西門子公司的S7-300系列可編程控制器來構建控制系統。凈環泵站PLC和雨污水泵站PLC中 CPU采用CPU 315-2DP，并且凈環泵站PLC帶有兩個擴展機架，彩板冷卻回水提升泵站PLC和爐子冷卻回水提升泵站PLC中CPU采用CPU 313C-2DP。該四套系統之間的通訊方式采用Profibus-DP網連接。PLC系統硬件配置圖如圖3所示。

采用交流220V電源供電，主模塊有16點數字量輸入，用于檢測控制命令和開關狀態；16點數字量輸出，用于各操作開關的控制、指示燈的狀態顯示；模擬量輸入，將模擬測量信號轉變為相應的數字量已被計算機所接收。凈環泵站帶有14個信號處理模塊（7個DI、4個DO、3個AI），擴展模塊選用IM360 和IM361，彩板冷卻回水提升泵站有4個信號處理模塊（3個DI、1個DO），爐子冷卻回水提升泵站有4個信號處理模塊（3個DI、1個DO），雨污水泵站有7個信號處理模塊（3個DI、2個DO、2個AI）。

（2）監控站

監控站選用西門子工業控制計算機和高性能工業監控軟件WinCC（視窗控制中心），完成整個系統的工藝流程、設備運行狀態的顯示和監控、實現曲線的顯示、歷史數據的保存、權限管理、操作查詢、報警、打印等功能。其中一個上位機用以監控凈環水泵站、鍍鋅爐子冷卻回水提升泵站和彩板冷卻回水提升泵站的生產工藝過程，另一個用來監控雨污水泵站的生產，同時兩臺上位機互為備用，提高系統的可靠性。

(3)儀表系統

儀表系統由變送器、配電器、隔離器、調節器和執行器等構成，主要完成流量、壓力信號的獲取和閥門的控制執行，調節器作為計算機系統的備用控制手段，當計算機出現故障時，可以變成手動方式控制。

4 自動化軟件設計

凈環水處理自動化控制系統的軟件包括上位機、下位機設計兩部分。

4.1上位機軟件設計

為保證工業現場的穩定，上位機采用Windows2000操作系統，編程平臺為Win CC5.1。上位機實現的功能如下：數字顯示流量、壓力、溫度、液位，顯示各設備的啟動、停止、運行、故障等狀態；啟動時，設備按鈕為綠色，正常時為紅色，故障時畫面顏色閃爍，同時并用文本方式顯示故障類型，方便故障的排除；能記錄250條故障情況（故障時刻、故障類型等），方便地進行事故分析，通過報表編輯器，實現定期或隨機的相關信息打印輸出。HMI監控畫面如圖4所示。

圖3 PLC系統硬件配置圖

圖4 HMI監控畫面

4.2下位機軟件設計

下位機采用SIEMENS 公司開發的STEP 7 5.2軟件對PLC進行編程和對PLC設備配置進行維護。編制的軟件主要包括信號獲取處理、信號控制、故障模塊的設計、與上位機通訊的DB塊的設計。

STEP提供了具有生成標準導出功能塊庫或FC庫能力的編程功能,能夠在應用程序內一再調用,在本系統中,由于檢測點多，這種功能得到了廣泛應用。FC功能塊的使用節約了大量的程序空間和故障查詢時間。降低了程序編寫的復雜程度，使程序結構更條理清晰。事實證明，FC功能塊的使用提高了程序的運行速度并且更加方便了軟件的移植性和可擴展性。

5 系統實現功能

4個泵站分別采用現場、集中兩種操作方式。在集中操作中，又分為手動和自動兩種操作方式。

鍍鋅爐子冷卻回水提升泵站和彩板冷卻回水提升泵站凈環泵站有3臺水泵和2臺冷卻塔。其中3臺泵2用1備，系統需要供水量少時，開1臺泵向管網充壓，供水量大時，開2臺泵同時向管網充壓。

彩板冷卻回水提升泵站和鍍鋅爐子冷卻回水提升泵站各有2臺水泵。這兩個泵站采用相同的控制方式。其中1#泵和2# 泵互為備用。工作泵與備用泵自動投入。彩板冷卻集水池和爐子冷卻集水池內分別設有液位監測裝置，用來監測吸水池內水位高度。1#和2#泵控制方式：當水位h>2.20m時，電機啟動，把水抽走；當水位h<2.20m時,電機堵轉時，熱繼電器動作，跳閘以保護電機。

雨污水泵站是用來排放雨水、工業污水。它的水泵分為A組、B組、C組。其中A泵組有2臺水泵，僅在雨季運行。B泵組有2臺水泵，平時一臺為工作泵，另一臺為備用泵，當水位升至-2.15m時，自動打開另一臺泵，兩臺泵同時工作。C泵組有1臺水泵，平時不工作，當B泵組兩臺水泵同時工作，10分鐘內水位降小于0.5m時，手動投入C泵組水泵，三臺小泵同時運行。當液位降至-5.20m時，B泵組、C泵組三臺電機，自動停止運行。

6結束語

經該PLC控制系統的循環水滿足了工業用水的要求，實現了安全可靠的不間斷供水，確保了優質的出水水質，提高了管理人員的勞動生產率、降低能源與物料消耗，達到了生產自動化控制的目標，取得了良好的效益。